李 鉑 崔 鑫 張志慧 蔡 寅 季愛東

（山東省地震局，濟南 250014）

引言

長島是山東省唯一的海島縣，包括南北長山島在內(nèi)的10個居民島嶼，地處構(gòu)成渤海和黃海分界線的廟島群島的南端。長島位于華北地臺區(qū)，與膠遼地塊其它地區(qū)具有類似的地質(zhì)構(gòu)造演化歷史，由于受到中國東部新生代擴展斷陷活動以及第四紀(jì)海侵共同影響而成為了獨立的島嶼。長島位于NW向張家口-渤海-威海斷裂帶的東段，即蓬萊-威海斷裂帶內(nèi)，帶內(nèi)多條晚更新世活動斷裂均從長島附近海域通過。同時在其西側(cè)還發(fā)育了晚更新世以來強烈活動的郯廬斷裂帶，與活動構(gòu)造的分布特點相吻合，長島附近地震活動水平較高，現(xiàn)代中小震密集分布。值得注意的是，在附近海域曾發(fā)生過1548年渤海海峽7級地震和1948年威海6級地震。因此，有必要對長島及其附近海域震群進行重定位和震源特征研究。

長島縣及附近海域發(fā)育有NNE、NE、NW等多個方向的斷裂。長島區(qū)內(nèi)發(fā)育多組斷裂，并被斷裂圍限成大小不等的塊體。NW斷裂也是以蓬萊-張家口斷裂為主，長島-芝罘島和蓬萊-張家口斷裂等多條NW、近EW向斷裂組合成1條傾角較大的斷裂帶，不同方向的斷裂交匯造成該區(qū)域地震活動水平較高。

2017年2月14日山東臺網(wǎng)記錄到長島海域第一個地震以來，又陸續(xù)記錄到余震3000余次。由于此次震群序列屬于海域地震，所以在密集臺陣的布設(shè)上有一定困難，只有3個海島臺，此次震群附近臺站的分布和附近斷裂情況，如圖1所示。

圖1 長島地震序列附近斷層和臺陣臺站分布 Fig.1 Distribution of faults and stations around the the Changdao earthquake sequence

1 定位方法及資料選取

本文采用的雙差定位（Double-Difference）方法由Waldhauser等（2000）提出，該方法是地震定位學(xué)中的1種相對定位方法，是主事件方法的應(yīng)用推廣，但在震群相對位置的反演過程中，無需把震群的某個地震作為主事件，而是震群的某一地震和震群矩心的相對位置進行反演，它在程序參數(shù)的選擇上有一定的要求。該方法在國際和國內(nèi)已經(jīng)被廣泛使用，Waldhauser等（2000）利用雙差定位算法在北加州北海沃德斷層上的2個震群上進行了應(yīng)用，利用震群矩心200km內(nèi)的臺站和10km范圍內(nèi)的地震，計算了地震對之間的走時殘差，使得震群在垂直的條帶分布更加集中；周龍泉等（2003）利用雙差定位方法對云南大姚雙主震序列進行了重新定位研究；黃媛（2008）對汶川地震及其余震進行重定位；張勇（2014）、張廣偉等（2014）對云南魯?shù)榈貐^(qū)進行重新定位并通過震源機制分析其地震活動構(gòu)造意義；李鉑（2017）對山東乳山地區(qū)進行重新精定位并分析其斷層活動性；羅佳宏（2017）利用雙差定位方法對三峽水庫的地震活動進行了研究。

雙差定位方法的優(yōu)點主要是利用譜域中的波形互相關(guān)技術(shù)提高定位質(zhì)量和定位精度，相對于主事件方法，數(shù)據(jù)量大大增加，在一定的范圍內(nèi)進行相近地震事件對的配對，要求配對的地震事件在一定空間范圍至少可以搜索到至少1次及以上的地震事件，故臺網(wǎng)的定位質(zhì)量相比會有一定提高。雙差定位方法的基本原理為：相對于同1個地震臺站k，i和j分別代表不同的地震震源，2個震源的地震波觀測到時和理論到時之間的殘差為rki和rkj，Tki是第1個震源i到地震臺站k的體波觀測到時，ti是發(fā)震時間，u是波的慢度，ds代表地震波沿射線路徑的線元（Helmberger，1980，2000）。

對2個地震事件組i和j的殘差做差，即雙重殘差：

公式（1）即為雙差定位方法的聯(lián)合反演公式。

對于距離相近的事件，可以忽略2個事件震中間的速度（慢度）變化，即可以相互抵消，得到：

山東地震臺網(wǎng)自從2006年開始進行數(shù)字化改造，又陸續(xù)對臺網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)升級、臺站改造，目前已經(jīng)有133個數(shù)字化測震臺站。在長島海域震群附近50km范圍內(nèi)有6個臺站，由于該震群是比較少見的海域震群，而在海域臺站的布設(shè)方面有一定困難，造成了部分區(qū)域的觀測空區(qū)。

山東省煙臺市長島縣海域自2017年2月14日開始發(fā)生地震以來，3月3日又發(fā)生了4.5級地震，之后又發(fā)生了一系列的地震震群活動，9月2日，在該震群南方10km左右又出現(xiàn)了1個新的震群活動。截至2018年1月1日，山東數(shù)字化臺網(wǎng)已經(jīng)記錄到近2700次余震，其中1級以下余震2175次，1—2級余震435次，2.0—2.9級余震73次，3.0—3.9級余震4次，4級以上余震1次（圖2）。

圖2 長島海域震群M-T圖 Fig.2 M-T plot of the Changdao earthquake sequence

在2017年9月出現(xiàn)的主震群南側(cè)的小震群也出現(xiàn)了200余次余震，其中最大地震為2017年3月3日的4.4級地震，這也是山東2017年記錄到境內(nèi)及周邊海域最大的地震。

截至2018年1月，此次長島地震的震群活動一直持續(xù)，從中選擇了2711次有3個及以上臺站記錄的地震，最終參與雙差定位的地震包括4個臺站記錄到的地震1002個，5個臺站記錄到的地震775個，6個臺站記錄到的地震681個，其中2017年3月3日長島海域4級地震有48個地震臺站參與定位。在重定位時，由于殘差原因，最終選擇了參與定位地震數(shù)量為2581次，包括11232次P波和S波的到時記錄定位殘差也從0.172下降到了0.133。為了驗證數(shù)據(jù)的時效性，繪制了幾個震相的走時曲線，如圖3所示，其中Pg、Sg、Pn和Sn的走時曲線離線性均較低，可以說明地震數(shù)據(jù)質(zhì)量比較穩(wěn)定。

圖3 長島海域震群P和S波走時曲線 Fig.3 The travel time curves of P wave and S wave of Changdao earthquake sequence

根據(jù)折合走時曲線圖（圖4）可以發(fā)現(xiàn)，Pg和Pn的數(shù)據(jù)點與理論折合走時曲線較為符合，在一定程度上反映了當(dāng)前速度模型在本研究區(qū)域的正確性，可以將當(dāng)前速度模型作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

采用目前山東地震數(shù)字化臺網(wǎng)正在使用的一維速度模型（李鉑等，2012），如表1所示。

表1 地殼速度模型 Table1 Crustal velocity model

圖4 長島海域震群折合走時曲線 Fig.4 The reduced travel-time curves of the Changdao earthquake sequence

圖5顯示了長島海域震群的地震頻次和定位深度的分布，圖5（a）為雙差定位之前的臺網(wǎng)記錄結(jié)果，可以看出在6—18km地震頻次比較集中，但整體分布比較分散；圖5（b）為定位之后的深度結(jié)果，深度優(yōu)勢分布在8—18km，其中10—16km范圍更為明顯。

圖5 長島地震序列雙差定位前后頻次-深度分布關(guān)系 Fig.5 Distriution of earthquake depth and frequency before and after the accurate location of the Changdao earthquake sequence

圖6為利用雙差定位方法對長島2個震群重新定位后的結(jié)果分布，由圖可以看出，藍色點為臺網(wǎng)原始記錄，地震整體分布比較分散，沒有明顯的條帶狀分布，經(jīng)過重新定位后，2個震群的外圍發(fā)散地震向內(nèi)收斂明顯，震中分布更加集中，優(yōu)勢分布也更加明顯。3月3日發(fā)生的北側(cè)震群（以下稱主震群）走向與一級斷裂——大竹山島-威海北斷裂走向基本一致，斷裂全長70km，且靠近斷裂的西北端口處，余震呈NWW向分布，A’B’的主破裂長度約在17km，其共軛方向的C’D’破裂長度約6km，幾次較大的地震都發(fā)生在該破裂軸上，4級以上地震4次（圖中紅白球標(biāo)識），4級以下地震2次（圖中藍白球標(biāo)識）；9月2日發(fā)生的主震群南側(cè)13km的震群（以下稱副震群），地震個數(shù)較少，但也基本看出走向與主震群走向基本一致，在2個二級斷裂之間，不排除存在隱伏斷層的可能性，震源深度分布略低于主斷層，優(yōu)勢深度集中在6—10km范圍內(nèi)，這也與副震群靠近陸地有一定關(guān)系，在一定程度上表明該深度的應(yīng)力介質(zhì)強度多局限于這一范圍。

圖6 長島海域震群震中分布及震源深度統(tǒng)計 Fig.6 The statistical distribution and focal depth of the Changdao earthquake epicenter

2 震源機制解

采用CAP（Cut and Paste）方法反演了2017年3月3日長島海域M4.4地震的震源機制解由于震群屬于海域型震群，在對其進行反演的過程中使用的臺站較少，而且相對于震中，臺站方位角的覆蓋性也較差，所以利用CAP方法對其進行震源機制解反演，其優(yōu)勢之一是在臺站利用率較低的情況下可以得到較好的震源機制解結(jié)果。

在反演長島海域震群的記錄時，一般對波形記錄進行權(quán)重設(shè)置，對比前期對膠東半島其它震群設(shè)置的權(quán)重比例（一般設(shè)置為2:1），對首波和長周期的面波分別選取0.07—0.15Hz和0.04—0.08Hz頻段。在反演過程中對觀測波形進行濾波，扣除儀器響應(yīng)和波形旋轉(zhuǎn)，反演后的最佳擬合波形如圖7（a）所示，黑色波形曲線為觀測值，紅色波形曲線為理論值，左側(cè)為臺站代碼、震中距以及該臺理論P波初至與觀測P波初至的差值，擬合波形的下方為相對應(yīng)的時間偏移量，5個數(shù)值代表臺站的3分量5個分向（體波垂向（PV）、體波徑向（PR）、面波垂向（Surf.V）、面波徑向（Surf.R）、面波切向（SH））。由圖可見，所選臺站的擬合系數(shù)均較高，基本在85%以上，這也客觀地證明了結(jié)論的正確性。圖7（b）給出了此次地震最佳的擬合深度，從圖中看出對應(yīng)深度擬合曲線中的斜率最大點處的深度為最佳深度，該深度約9.7km，誤差為0.2km，也與雙差定位測定的優(yōu)勢深度相一致。

圖7 長島4.4級地震理論地震圖和觀測地震圖對比（a）和CAP方法的最佳擬合深度和波形擬合圖（b） Fig.7 The comparison of theoretical seismogram and observation seismogram of the Changdao M 4.4 earthquake (a) and plot of focal depth varying with different depth errors and focal mechanism (b)

本文反演了長島海域震群6次較大的震源機制解（表2，圖7）。由表2可以看出，長島幾次較大地震都發(fā)生在主震群范圍內(nèi)，表中定位結(jié)果采用雙差定位，幾次較大余震的破裂位置均在3km范圍內(nèi)，幾次地震的主壓應(yīng)力軸方向基本一致，均以走滑型為主，節(jié)面I走向也較一致，幾次較大地震均發(fā)生在主震群所在區(qū)域，節(jié)面Ⅰ走向也與一級斷裂竹山島-威海北斷裂走向基本一致，其中2017年3月3日的主震震源機制解的節(jié)面Ⅰ走向為320°，傾角57°，滑動角為12°；節(jié)面Ⅱ走向為223.4°，傾角80°，滑動角為146.4°；幾次較大地震的最佳擬合深度為8.7—13.7km。

表2 長島海域震群序列6次較大地震震源機制解 Table2 Focal mechanisms of six larger earthquake in the Changdao earthquake sequences

3 結(jié)論與討論

采用雙差定位方法對山東長島附近海域2次可定位震群的2711次地震事件進行了重定位，由于海域震群運用定位方法的實例較少，所以在附近臺站數(shù)量和方位角的分布上存在一定局限，通過研究發(fā)現(xiàn)重定位后的2個震群地震向內(nèi)收斂明顯，震中分布更加集中，優(yōu)勢分布也更加明顯，更清晰地明確了條帶分布的基本特性。余震呈NWW向展布，破裂長度約為17km，其共軛方向的破裂長度約為6km；主震群的震源位置與一級斷裂大竹山島—威海北斷裂走向具有較高的一致性，副震群震例較少，但也能看出走向與主斷層的走向基本一致。由于副震群周圍沒有較大的地質(zhì)斷裂結(jié)構(gòu)作為破裂依據(jù)，也不排除有較小隱伏斷層的存在，主副震群在定位后都有一定的收斂，沒有明顯的震群交集；2個震群的優(yōu)勢深度為6—15km，也與山東內(nèi)陸及近海海域的地震發(fā)震深度范圍相一致。

利用CAP方法反演了2017年3月3日長島海域M4.4地震的震源機制解，在震源深度9.7km附近對應(yīng)的雙力偶解為最佳的震源機制解。其余幾次較大地震震中位置與震群主震的震中位置一致，震源機制解中節(jié)面I的走向也具有一致性。

綜合長島海域2次震群的定位結(jié)果、幾次較大地震震源機制解反演結(jié)果和區(qū)域地震資料，可以看出，長島震群幾次顯著地震的震源機制解較為一致，均表現(xiàn)為走滑機制，其中NW向的節(jié)面與NWW向的張家口-蓬萊斷裂帶的走向一致。同時，從雙差定位的結(jié)果也可看出，長島震群表現(xiàn)出出現(xiàn)NW向的優(yōu)勢展布特征，進一步印證了發(fā)震斷層可能是NW向的假設(shè)。因此，初步判定長島震群的發(fā)震構(gòu)造可能是NW向的張家口-蓬萊斷裂的分支斷裂。

山東長島海域2次震群都處于山東近海，2個震群的活動性也在逐步減弱，但目前仍有小的地震持續(xù)發(fā)生，在后續(xù)的工作中，還需要進一步收集地震和地質(zhì)斷裂構(gòu)造數(shù)據(jù)，以判斷此次震群的后期持續(xù)性和斷層的破裂特征。

致謝：感謝Waldhauser F.提供的雙差定位程序、崔仁勝提供的CAP程序以及評審專家給出的寶貴建議。